Nghiên cứu ảnh hưởng của vận tốc cắt tới cơ chế mòn dụng cụ pcbn sử dụng tiện tinh thép 9xc qua tôi

Khi tiện thép nhiệt luyện bằng dao nitritbo xuất hiện lực cắt đơn vị lớn, do đó ở vùng tiếp xúc nhiệt độ cắt tăng cao, gây ảnh hưởng đến tuổi bền củadao và chất lượng lớp bề mặt của chi

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài :

Tiện cứng là nguyên công tiện các chi tiết đã qua tôi (thường là théphợp kim) có độ cứng cao khoảng từ 40  65 HRC được sử dụng rộng rãitrong công nghiệp ô tô, chế tạo bánh răng, vòng ổ, dụng cụ, khuôn mẫu vv…Tiện cứng được sử dụng thay mài khi gia công chính xác các chi tiết máy có tỉ

số chiều dài trên đường kính nhỏ, các chi tiết có hình dáng phức tạp và khôngnhất thiết phải sử dụng dung dịch trơn nguội Tiện cứng cho độ chính xác vànhám bề mặt tương đương với mài nhưng tiện cứng có khả năng tạo nên lớp

bề mặt có ứng suất dư nén làm tăng tuổi thọ về mỏi của chi tiết máy trong cáctiếp xúc lăn khi sử dụng, cho năng suất cao hơn mài với đầu tư ban đầu thấphơn nhiều Tiện cứng thường dùng trong nguyên công tiện tinh với độ chínhxác ngang mài nên các yêu cầu về độ chính xác, độ cứng vững của hệ thốngcông nghệ rất khắt khe

Vật liệu thường sử dụng làm dao tiện cứng là CBN (Cubic nitrit Bo).Đây là loại vật liệu tổng hợp sử dụng các hạt CBN với chất gắn kết là TiChoặc kim loại như Co

Khi sử dụng mảnh dao với hàm lượng CBN thấp (CBN – L) và cao(CBN – H), mòn xuất hiện trên cả mặt trước và sau với ba cơ chế mòn khácnhau là mòn do dính, mòn do cào xước và mòn do nhiệt, trong đó mòn donhiệt là cơ chế mòn chính Mòn ảnh hưởng trực tiếp đến nhám bề mặt chi tiếtgia công, do vậy nó phải được nghiên cúu để nắm vững và điều khiển nhằmgiảm tác động của nó và nâng cao chất lượng của quá trình cắt gọt Mòn củadụng cụ cắt là hiện tượng lý hoá phức tạp trong quá trình gia công cắt gọt cácvật liệu Cũng như mòn của các chi tiết máy, mòn của dụng cụ làm thay đổicác thông số hình học dụng cụ và giảm tuổi bền cũng như khả năng làm việc

của dụng cụ Mòn của dụng cụ còn ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng và độchính xác của bề mặt gia công Đối với quá trình gia công loạt lớn và tự độnghoá, độ mòn và tuổi bền của dụng cụ lại càng được quan tâm và chú ý hơn docác ảnh hưởng của nó tới năng suất và chất lượng của sản phẩm chế tạo Dovậy, việc nghiên cứu quá trình mòn khi tiện cứng để nâng cao khả năng làmviệc, nâng cao chất lượng bề mặt gia công là cần thiết đối với ngành cơ khí

Khi tiện thép nhiệt luyện bằng dao nitritbo xuất hiện lực cắt đơn vị lớn,

do đó ở vùng tiếp xúc nhiệt độ cắt tăng cao, gây ảnh hưởng đến tuổi bền củadao và chất lượng lớp bề mặt của chi tiết gia công

Xét về mặt mài mòn của dụng cụ cắt cần quan tâm tới nhiệt độlớn nhấttrên mặt trước và mặt sau, sự phân bố nhiệt trên các bề mặt này Nhưng việcxác định nhiệt độ lớn nhất này rất khó khăn Mặt khác nhiệt độcắt chịu ảnhhưởng của vận tốc cắt lớn hơn so với lượng chạy dao Khi tiện tinh, chiều sâucắt nhỏ, vận tốc cắt lớn, áp lực lên dao nhỏ, nhiệt độtập trung ở vùng mũi daocao nên làm dao bị mềm ra và cùn nhanh

Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến cơ chế mòn như thế nào khi tiện tinhthép hợp kim dụng cụ 9XC qua tôi một loại vật liệu có nhiều ưu điểm đượcdùng rộng rãi nhất để chế tạo dụng cụ cắt với vận tốc thấp nhằm thoả mãn cácyêu cầu về khả năng làm việc đang là yêu cầu cần thiết của các nhà sản xuât

Do vậy đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của vận tốc cắt tới cơ chế mòn dụng cụ PCBN sử dụng tiện tinh thép 9XC qua tôi” là cần thiết và

cấp bách

2 Nội dung nghiên cứu.

- Nghiên cứu tổng quan về bản chất vật lý của quá trình cắt kim loại khitiện và cơ chế mòn của dụng cụ cắt

- Nghiên cứu thực nghiệm về mòn dụng cụ PCBN và ảnh hưởng củavận tốc cắt tới cơ chế mòn dụng cụ PCBN sử dụng tiện tinh thép 9XC qua tôi

3 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu kết hợp lý thuyết và thực nghiệm Nghiêncứu tổng quan về các vấn đề liên quan đến tiện cứng từ đó rút ra vấn đề địnhhướng cho nghiên cứu về mòn và tuổi bền của dụng cụ

Tiến hành các nghiên cứu và phân tích thực nghiệm sử dụng mảnh daoPCBN tiện tinh thép 9XC qua tôi để xác định cơ chế mòn và tuổi bền của daokhi cắt với các vận tốc cắt khác nhau Xác định mối quan hệ giữa vận tốc cắt

và nhám bề mặt gia công khi sử dụng các vận tốc cắt khác nhau sau nhữngkhoảng thời gian khác nhau

Xử lý các số liệu thực nghiệm để tìm vận tốc cắt tối ưu nhằm đạt đượcchất lượng bề mặt tốt nhất hoặc tuổi bền cao nhất

CHƯƠNG I BẢN CHÂT VẬT LÝ CỦA QUÁ TRÌNH CẮT

VÀ MÒN DỤNG CỤ

1.1 Bản chất vật lý

Trong quá trình gia công kim loại bằng cắt gọt có rất nhiều hiện tượngvật lý xảy ra: phát sinh nhiệt, ma sát, mài mòn, lẹo dao, rung động, biến cứng,biến dạng phoi…Các hiện tượng vật lý này ảnh hưởng rất lớn đến công tiêuhao trong quá trình cắt gọt, độ mòn của dụng cụ cắt, chất lượng của chi tiếtgia công

1.1.1 Quá trình cắt và tạo phoi.

Quá trình cắt kim loại là quá trình lấy đi một lớp phoi trên bề mặt giacông để có chi tiết đạt hình dạng, kích thước và độ nhám bề mặt theo yêu cầu

Để thực hiện một quá trình cắt cần thiết phải có hai chuyển động :

- Chuyển động cắt chính (Chuyển động làm việc) : Với tiện đó làchuyện động quay tròn của phôi

- Chuyển động chạy dao: Đó là chuyển động để đảm bảo duy trì sự tạophoi liên tục trong suốt quá trình cắt Với tiện đó là chuyển động tịnh tiến dọccủa dao khi tiện mặt trụ 6

Khi cắt để có thể tạo ra phoi, lực tác dụng vào dao cần phải đủ lớn đểtạo ra trong lớp kim loại bị cắt một ứng suất lớn hơn sức bền của vật liệu bịgia công

Hình dạng, độ cứng, mức độ biến dạng và cấu tạo phoi chứng tỏ rằnglớp kim loại bị cắt thành phoi đã chịu một ứng suất như vậy (hình1.1)

Hình 1.1: Sơ đồ miền tạo phoi

Quá trình tạo phoi được phân tích kỹ trong vùng tác động bao gồm:

- Vùng biến dạng thứ nhất là vùng vật liệu phôi nằm trước mũi daođược giới hạn giữa vùng vật liệu phoi và vùng vật liệu phôi Dưới tác dụngcủa lực tác động trước hết trong vùng này xuất hiện biến dạng dẻo Khi ứngsuất do lực tác động gây ra vượt quá giới hạn bền của kim loại thì xuất hiệnhiện tượng trượt và phoi được hình thành (vùng AOE) Trong quá trình cắt,vùng phoi một luôn di chuyển cùng với dao

- Vùng ma sát thứ nhất là vùng vật liệu phoi tiếp xúc với mặt trước của dao

- Vùng ma sát thứ hai là vùng vật liệu phôi tiếp xúc với mặt sau của dao

- Vùng tách là vùng bắt đầu quá trình tách kim loại khỏi phôi để hìnhthành phoi

Vật liệu dòn khác biệt vật liệu dẻo ở vùng biến dạng thứ nhất, do tổchức hạt là khác nhau nên ở vùng này biến dạng dẻo hầu như không xảy ra.Quá trình bóc tách phoi diễn ra gần như đồng thời với lực tác động

Việc nghiên cứu quá trình tạo phoi có một ý nghĩa rất quan trọng vì trị

số của công cắt (công làm biến dạng chiếm 90% công cắt), độ mòn của dao(tuổi thọ của dụng cụ cắt) và chất lượng bề mặt gia công phụ thuộc rất nhiềuvào quá trình tạo phoi

Khi cắt do tác dụng của lực P (hình 1.1), dao bắt đầu nén vật liệu giacông theo mặt trước Khi dao tiếp tục chuyển động trong vật liệu gia côngphát sinh biến dạng đàn hồi, biến dạng này nhanh chóng chuyển sang trạngthái biến dạng dẻo và một lớp phoi có chiều dày ap được hình thành từ lớpkim loại bị cắt có chiều dày a, di chuyển dọc theo mặt trước của dao

Việc nghiên cứu kim loại trong miền tạo phoi chứng tỏ rằng trước khibiến thành phoi, lớp kim loại bị cắt đã trải qua một giai đoạn biến dạng nhấtđịnh, nghĩa là giữa lớp kim loại bị cắt và phoi có một khu vực biến dạng.Khu vực này được gọi là miền tạo phoi (hình 1.2)

Hình 1.2: Miền tạo phoi

Trong miền này (như sơ đồ hoá hình 1.1) có những mặt trượt OA,OB,OC,OD,OE Vật liệu gia công trượt theo những mặt đó (là những mặt cóứng suất tiếp có giá trị cực đại)

Miền tạo phoi được giới hạn bởi đường OA, dọc theo đường đó phátsinh những biến dạng dẻo đầu tiên, đường OE - đường kết thúc biến dạng dẻo

và đường AE - đường nối liền khu vực chưa biến dạng của kim loại và phoi

Trong quá trình cắt, miền tạo phoi AOE di chuyển cùng với dao.

Ngoài ra lớp kim loại bị cắt, sau khi đã bị biến dạng trong miền tạophoi, khi di chuyển thành phoi còn chịu thêm biến dạng phụ do ma sát vớimặt trước của dao

Những lớp kim loại phía dưới của phoi, kề với mặt trước của dao (hình 1.1) chịu biến dạng phụ thêm nhiều hơn các lớp phía trên Mức độ biếndạng của chúng thường lớn đến mức là các hạt tinh thể trong chúng bị kéo dài

ra theo một hướng nhất định, tạo thành têch tua

Như vậy phoi cắt ra chịu biến dạng không đều.Mức độ biến dạng củaphoi:

Kf = Kbd + Kms (1 –1)

Ở đây:

Kbd là mức độ biến dạng của phoi trong miền tạo phoi

Kms là mức độ biến dạng của phoi do ma sát với mặt trước của dao

Vì biến dạng dẻo của phoi có tính lan truyền, do đó lớp kim loại nằmphía dưới đường cắt ON (hình 1.1a) cũng sẽ chịu biến dạng dẻo

Chiều rộng của miền tạo phoi phụ thuộc vào tính chất của vật liệu giacông và điều kiện cắt (thông số hình học của dao, chế độ cắt…)

Vận tốc cắt có ảnh hưởng có ảnh hưởng lớn nhất đến chiều rộng miềntạo phoi Tăng vận tốc cắt miền tạo phoi sẽ co hẹp lại Hiện tượng đó có thếđược giải thích như sau :

Khi tăng vận tốc cắt vật liệu gia công sẽ chuyển qua miền tạo phoi vớitốc độ nhanh hơn Khi di chuyển với vận tốc lớn như vậy, vật liệu gia công sẽ

đi ngang qua đường OA nhanh đến mức sự biến dạng dẻo không kịp xảy ratheo đường OA mà chậm đi một thời gian theo đường OA’ Tương tự nhưvậy, nơi kết thúc quá trình biến dạng trong miền tạo phoi sẽ là đường OE’chậm hơn so với OE (hình 1.3)

Hình 1.3: Miền tạo phoi ứng với vận tốc cắt khác nhau

Như vậy ở vận tốc cắt cao miền tạo phoi sẽ là A’OE’; A’OE’ quay đimột góc theo chiều quay của kim đồng hồ và khi đó chiều dày cắt giảm đi sovới trước (a’1 < a1) vì biến dạng dẻo giảm đi

Khi vận tốc cắt rất lớn miền tạo phoi co hẹp đến mức mà chiều rộngcủa nó chỉ vào khoảng vài phần trăm milimet Trong trường hợp đó sự biếndạng của vật liệu gia công có thể xem như nằm lân cận mặt OF Do đó để chođơn giản, ta có thể xem một cách gần đúng quá trình biến dạng dẻo khi cắtxảy ra ngay trên mặt phẳng OF đi qua lưỡi cắt và làm với phương chuyểnđộng của dao một góc bằng 

Mặt OF được gọi là mặt trượt quy ước, còn góc  gọi là góc trượt Góc trượt là một thông số đặc trưng cho hướng và giá trị của biến dạngdẻo trong miền tạo phoi

Hình 1.4: Tính góc trượt 

sin )

cos(

.

sin

cos

r

r tg

Như vậy góc trượt  phụ thuộc vào  và tỉ số K

Khi cắt kim loại bị biến dạng dẻo nên kích thước của phôi thường thayđổi so với kích thước của lớp kim loại sinh ra nó Đại lượng K đặc trưng cho

sự biến dạng xảy ra trong quá trình cắt gọt, K càng lớn biến dạng càng lớn.Trong cắt gọt người ta mong muốn K nhỏ tức là biến dạng nhỏ, khi đó côngtiêu hao trong quá trình cắt gọt bé, chất lượng bề mặt của chi tiết gia côngcao Thực nghiệm cho thấy quan hệ giữa K và V như hình 1.5

Hình 1.5: Quan hệ giữa vận tốc cắt và biến dạng của phoi

Khi Vc tăng từ V1 đến V2 biến dạng của phoi giảm

Trong vùng vận tốc cắt này khi Vc tăng µ tăng do đó lực ma sát tăng,biến dạng của phoi tăng Mặt khác khi này lẹo dao xuất hiện và tăng dần làmtăng góc trước, giảm góc cắt thì quá trình cắt dễ dàng hơn, phoi thoát ra dễdàng hơn biến dạng của phoi giảm và đạt gia trị cực tiểu tại B ứng với

Vc = V2 (tại đây chiều cao lẹo dao lớn nhất)

Hai ảnh hưởng này bù trừ lẫn nhau nhưng ảnh hưởng của lẹo dao lớnhơn

Khi Vc tăng từ V2 ÷ V3 biến dạng của phoi tăng

Trong vùng vận tốc cắt này khi Vc tăng chiều cao lẹo dao giảm dần, dẫnđến góc trước giảm, góc cắt tăng, biến dạng của phoi tăng Khi Vc tăng, hệ số

ma sát giảm, lực ma sát giảm, biến dạng của phoi giảm Kết hợp hai ảnhhưởng này, ảnh hưởng của lẹo dao lớn hơn nên khi Vc tăng biến dạng củaphoi tăng và đạt giá trị cực đại khi Vc = V3 (tại đây lẹo dao mất hẳn)

Khi Vc > V3: lẹo dao không còn, mặt khác nhiệt độ cắt ở vùng cắt rấtcao làm cho lớp kim loại của phoi sát mặt trước bị chảy nhão, hệ số ma sátgiữa phoi và mặt trước giảm, K giảm

Khi Vc > 200 ÷ 300 m/f hệ số ma sát µ thay đổi rất ít, dẫn đến biếndạng của phoi hầu như không thay đổi

Các giá trị V1, V2, V3 phụ thuộc vào điều kiện gia công, vật liệu làm dao,phôi, thông số hình học của dụng cụ cắt

Bán kính mũi dao r cũng ảnh hưởng đến hệ số biến dạng phoi, r tăngchiều dày trung bình của lớp cắt giảm, chiều dài của đoạn lưỡi cắt cong thamgia cắt tăng, phoi thoát ra cong bị biến dạng phụ thêm do sự giao nhau của

chúng trên cung cong (phương thoát phoi xem như thẳng góc với lưỡi cắt)làm cho biến dạng của phoi tăng hình 1.6.

Hình 1.6: Quan hệ giữa bán kính mũi dao r và biến dạng của phoi 1.1.2 Đặc điểm quá trình tạo phoi khi tiện cứng

Trong tiện cứng, quá trình biến dạng trong vùng tạo phoi diễn ra rấtphức tạp, chủ yếu do độ cứng của vật liệu gia công (sau khi tôi) nên giải pháptốt nhất vẫn là sử dụng mảnh dao có độ cứng, khả năng chịu nhiệt… đặc biệtcao Tiêu biểu cho nhóm này là các mảnh CBN, PCBN …

Poulachon và đồng nghiệp [14] đã chỉ ra rằng thường có hai cơ chế tạophoi lý thuyết khi gia công thép tôi

- Cơ chế thứ nhất cho rằng adiabatic shear gây ra sự không ổn định dẫnđến sự trượt mạnh trong vùng tạo phoi

- Cơ chế thứ hai cho rằng các vết nứt đầu tiên xuất hiện theo chu kỳtrên bề mặt tự do của phoi phía trước lưỡi cắt và truyền dần đến lưỡi cắt

Poulachon và đồng nghiệp cũng khẳng định rằng khi tiện trực giao thép100Cr6 trong dải độ cứng từ 10 ÷ 62 HRC tồn tại của 3 kiểu cơ chế cắt

Phoi dây được tạo ra khi tiện thép có độ cứng từ 10 ÷ 50 HRC, lực cắtgiảm khi tăng độ cứng trong dải này Điều này được giải thích là khi độ cứngcủa vật liệu gia công tăng sẽ làm tăng nhiệt độ trong vùng tạo phoi làm giảm

độ bền của vật liệu gia công dẫn đến tăng góc tạo phoi và giảm chiều dài tiếpxúc giữa phoi và mặt trước Cả hai yếu tố đều có tác dụng giảm lực cắt

Khi tăng độ cứng của vật liệu gia công lên trên 50 HRC, phoi sẽchuyển từ phoi dây sang phoi dạng răng cưa và lực cắt tăng lên Khi tăng độ

cứng, góc tạo phoi tăng và chiều dày của phoi giảm Khi độ cứng tăng, tồn tạihai yếu tố trái ngược ảnh hưởng đến cơ chế tạo phoi đó là tăng độ bền của vậtliệu gia công do tăng độ cứng và giảm độ bền của vật liệu gia công do tăngnhiệt độ trong vùng tạo phoi.

Khi độ cứng tiếp tục tăng, vật liệu gia công trở nên giòn hơn và yêu cầunăng lượng cắt nhỏ hơn Khi gia công vật liệu giòn, biến dạng nứt trở nên nhỏhơn và khi nó nhỏ hơn một giới hạn nhất định, nứt sẽ trở nên thịnh hành vàhiện tượng trượt cục bộ xảy ra gián đoạn trong vùng trượt chỉ ra trên hình 1.Khi hiện tượng này xảy ra, nhiệt độ trong dụng cụ không tăng mà lại bắt đầugiảm Một điều cần lưu ý là phoi dạng răng cưa xuất hiện khi gia công phôi có

độ cứng thấp hơn nhưng với vận tốc cắt cao hơn Điều này chứng tỏ cơ chếtạo phoi được điều khiển bởi sự cân bằng giữa vận tốc cắt và độ cứng của vậtliệu gia công và mối quan hệ giữa hai yếu tố này với nhiệt độ trong vùng cắt Hình 1.7 chỉ ra 3/4 giai đoạn hình thành phoi răng cưa khác nhau

Hình 1.6: Ba giai đoạn hình thành phoi khi tiện thép 100Cr6 với

v = 100 m/p; s = 0,1 mm; t = 1 mm; môi trường cắt khô

Hình 1.7: Ba giai đoạn hình thành phoi khi tiện thép 100Cr6 với

V = 100 m/p; s = 0,1mm/v; t = 1mm; môi trường cắt khô

Giai đoạn 1: Khi ứng suất cắt đạt giá trị tới hạn trong vùng tạo phoi mộtvệt nứt đột nhiên xuất hiện và phát triển gần đến lưỡi cắt Chiều dài của vếtnứt là rất quan trọng và có thể so sánh với chiều dày của phoi khi biến dạngkhông xảy ra Tất nhiên vết nứt xuất hiện trước khi phoi răng cưa được hìnhthành.

Giai đoạn 2: Do sự xuất hiện của vết nứt, vùng phoi giữa vết nứt vàcạnh viền sẽ bị đẩy lên không kèm theo biến dạng và vết nứt sẽ bị khép lại khidụng cụ tiến lên phía trước và chiều cao của phoi giảm xuống Tốc độ trượtcủa phoi trên mặt trước lớn đến mức mà có thể tạo ra nhiệt độ cao gần điểmA3 vì thế Máctensít sinh ra do ma sát giữa các lớp phoi thể hiện ở dạng lớptrắng bao quanh mảnh phoi được hình thành Hơn nữa một lớp trắng tương tự

sẽ sinh ra trên bề mặt gia công do ma sát rất lớn giữa mặt sau của dụng cụ với

bề mặt gia công có nguyên nhân là lực hướng kính Py rất lớn

Giai đoạn 3: Khi chiều rộng của khe hở trở nên hẹp tới mức mà tốc độbật ra và biến dạng dẻo của phoi là rất lớn Dưới tác dụng của nhiệt độ cao hailớp trắng trên phoi và trên bề mặt phân cách giữa phoi và bề mặt gia công kếthợp lại tạo nên phần thứ hai của phoi răng cưa Do ở đây chiều dày của phoirất nhỏ và tốc độ nguội rất cao vì thế hiện tượng chuyển đổi trong vùng này là

“adiabatic”

Giai đoạn 4: Mảnh phoi răng cưa hình thành và thực tế điền vào chỗtrống tồn tại giữa vết nứt và mặt trong của phoi do biến dạng dẻo Sự phân bốứng suất nén đã giảm trong giai đoạn 2 và 3 lại trở nên quan trọng và tạo nênvết nứt mới cho một chu kỳ tạo mảnh phoi vụn mới [14]

Dạng phoi được hình thành phụ thuộc vào sự cân bằng giữa vận tốc cắt

và độ cứng của vật liệu gia công và mối liên hệ giữa hai thông số này vớinhiệt độ sinh ra trong vùng cắt Hình 1.8 sự ảnh hưởng của tỷ số HVphoi /HVphôi (Tỷ số giữa độ cứng lớn nhất đo trên phoi và độ cứng của phôi ban

đầu) đến dạng phoi hình thành Kết quả thí nghiệm cho thấy biến cứng ảnhhưởng lớn đến sự hình thành phoi khi độ cứng của phôi tăng hoặc vận tốc cắtthấp [14].

Hình 1.8: Dạng của phoi trong mối liên hệ với độ cứng của phôi

lý thuyết quá trình cắt Trong trạng thái cân bằng năng lượng của quá trình cắtthì các mối quan hệ lực cắt cũng phải cân bằng Điều đó có nghĩa là một mặtlực cản cắt tác dụng lên vật liệu chống lại sự tách phoi, mặt khác lực cắt dodụng cụ cắt tác dụng lên lớp cắt và bề mặt cắt [4], [6]

Lực cắt là một hiện tượng động lực học, tức là trong chu trình thời giangia công thì lực cắt không phải là một hằng số Lực cắt được biến đổi theoquãng đường của dụng cụ Lúc đầu lực cắt tăng dần cho đến điểm cực đại.Giá trị lực cắt cực đại đặc trưng cho thời điểm tách phần tử phoi ra khỏi chitiết gia công Sau đó lực cắt giảm dần song không đạt đến giá trị bằng khôngbởi vì trước khi kết thúc sự chuyển dịch phần tử phoi cắt thì đã bắt đầu biếndạng phần tử khác [4], [6]

Hệ thống lực cắt khi tiện được mô tả sơ bộ trên hình 1.9 Lực tổng hợp

P được phân tích thành ba thành phần lực bao gồm : lực tiếp tuyến Pz (hay Pc),lực hướng kính Py (hay Pp) và lực chiều trục (lực ngược với hướng chuyểnđộng chạy dao) Px

Hình 1.9: Hệ thống lực cắt khi tiện

Thành phần lực Pz là lực cắt chính Giá trị của nó cần thiết để tính toáncông suất của chuyển động chính, tính độ bền của dao, của chi tiết cơ cấuchuyển động chính và các chi tiết khác của máy công cụ

Thành phần lực hướng kính Py có tác dụng làm cong chi tiết, ảnh hưởngđến độ chính xác gia công, độ cứng vững của máy và dụng cụ cắt

Thành phần Px tác dụng ngược hướng chạy dao, nó dùng để tính độ bềncủa chi tiết trong chuyển động phụ, độ bền của dao cắt và công suất tiêu haocủa cơ cấu chạy dao

Lực cắt tổng cộng được xác định:

z y

P   (1- 5) Trường hợp tổng quát các thành phần lực này không thuần nhất Trị sốcủa Pz là hình chiếu chính, xác định bằng lực pháp tuyến tác dụng lên mặttrước của dao Còn lại Px, Py phụ thuộc vào độ lớn và hướng của lực ma sát.Bởi vậy các thành phần lực này thay đổi khi thay đổi vật liệu gia công, thông

số hình học dụng cụ cắt và chế độ cắt, …

Lực cắt khi gia công vật liệu có độ cứng cao không cao hơn so với khigia công vật liệu có độ cứng thấp trong cùng điếu kiện Góc tạo phoi lớn vàphoi dạng răng cưa do tính dẻo của vật liệu gia công kém làm giảm lực cắtmặc dù độ bền của vật liệu cao Khi gia công thép 0,25% các bon thay đổi độcứng đến HV500 sử dụng dao có góc trước 0o, lực cắt hầu như độc lập với độcứng Mặt khác khi sử dụng góc trước -20o, khi tăng độ cứng của phôi cả lựccắt và lực hướng kính đều giảm Tăng góc trước âm có tác dụng làm tăngthành phần lực cắt hướng kính đáng kể [14]

Khi tiện thép thấm các bon, ni tơ tôi cứng đến 60 HRC bằng dao PCBNvới  = - 6o và  = 0o, các thành phần lực cắt Pz và Py tăng nhanh theo chiềudài cắt còn thành phần Px tăng hầu như không đáng kể theo chiều dài cắt.Thành phần lực cắt Py luôn là thành phần lớn nhất do góc trước âm lớn biếnđổi dọc theo bán kính của lưỡi cắt chỉ ra trên hình 1.10 [12]

Hình 1.10: Mối quan hệ giữa lực cắt và chiều dài cắt khi tiện thép thấm

Các bon, Ni tơ tôi cứng đến 60 HRC bằng dao PCBN

với  = - 6o và  = 0o

Liu và đồng nghiệp [17] được sử dụng dao PCBN – L với 60% CBN

và TiN làm chất dính kết khi gia công thép vòng bi tôi cứng đến 60 ÷ 64HRC Họ đã phát hiện ra rằng lực cắt giảm dần khi tăng độ cứng của vật liệugia công đến 50 HRC Khi độ cứng vượt quá 50 HRC phoi dây dạng răng cưaxuất hiện và lực cắt tăng đột ngột Độ cứng 50 HRC gọi là độ cứng tới hạnvới tiêu chí lực cắt tối thiểu

Vấn đề bôi trơn làm nguội tối thiểu so với cắt khô và bôi trơn làmnguội tràn đã được Varadarajan và đồng nghiệp nghiên cứu [18] khi tiện thép

có độ cứng 46 HRC sử dụng dao các bít phủ TiC, TiN, TiCN Các kết quả chỉ

ra rằng bôi trơn, làm nguội tối thiểu có ưu điểm vượt trội so với tiện khô hoặcbôi trơn, làm nguội thông thường trên khía cạnh về lực cắt, độ nhám bề mặtsau gia công, hệ số co rút phoi, chiều dài tiếp xúc phoi và mặt trước và tuổibền dụng cụ

Theo Diniz.A.E và đồng nghiệp [33], tiện cứng thường thực hiện trongmôi trường khô vì nhiệt độ cao làm cho phoi biến dạng và trượt dễ hơn Tuynhiên nhiệt độ cao lại làm cho phôi dễ bị biến dạng, ảnh hưởng tới độ chínhxác hình học, kích thước và chất lượng tích hợp bề mặt Trong nghiên cứu của

họ đã sử dụng dao PCBN tiện thép AISI 52100 tôi cứng đạt 58 ÷ 60 HRC vớivận tốc cắt từ 110 ÷ 175 m/p; s = 0,08 mm/v; t = 0,3 mm trong môi trườngkhô, bôi trơn/làm nguội bằng tưới tràn và bôi trơn làm nguội tối thiểu Kếtquả thí nghiệm đã chứng tỏ rằng trong môi trường cắt khô và tối thiểu mònmặt sau luôn nhỏ hơn khi bôi trơn/làm nguội tưới tràn; độ nhám bề mặt hầunhư không thay đổi khi cắt trong cả ba môi trường Từ đây có thể thấy môitrường cắt khô là tốt nhất trên khía cạnh giảm mòn, độ nhám bề mặt thấp vàtiết kiệm chi phí chất bôi trơn/làm nguội Trái lại các nghiên cứu thực tế củaKoefer [33] cho thấy sử dụng dung dịch làm nguội ở dạng sương mù hay ápsuất cao có tác dụng làm tăng tuổi bền của dao khi tiện cứng và dầu khôngnên sử dụng trong tiện cứng do nhiệt độ ở vùng cắt cao (tới 1700oF)

1.2.2.Các yếu tố ảnh hưởng đến lực cắt khi tiện

Lực cắt trong quá trình gia công nói chung và khi tiện nói riêng đềuchịu ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố khác nhau như vật liệu gia công, thông sốhình học của dụng cụ cắt, chế độ cắt v.v…

Khi Vc > V3 biến dạng của phoi giảm (đã giải thích ảnh hưởng của vậntốc cắt đến biến dạng của phoi) làm giảm lực cắt.

Khi Vc tăng quá (400 ÷ 500 m/p) thì lực cắt hầu như không thay đổi vìbiến dạng của phoi hầu như bão hoà

Hình 1.11: Ảnh hưởng của vận tốc cắt tới lực cắt

- Để nâng cao năng suất cắt, giảm công tiêu hao trong quá trình cắt gọt

ta nên cắt ở vận tốc cắt cao Vc > V3 Nên đường cong phía bên phải của đồ thịmang ý nghĩa thực tế

- Trong phạm vi vận tốc cắt từ Vc = V3 ÷ 400 m/p mối quan hệ giữa vậntốc cắt và các thành phần của lực cắt như sau:

Trong đó : các hệ số C1, C2, C3, là hệ số phụ thuộc vào điều kiện giacông (Vật liệu phôi, thông số hình học của dụng cụ cắt, lớp cắt, dung dịchtrơn nguội…)

Kg 300 275 250 225 200 175 150 125 100 75 50

Px

n1, n2 , n3 là số mũ biểu thị ảnh hưởng của tốc độ cắt tới lực cắt, phụthuộc vào điều kiện gia công.

Khi gia công thép bằng dao HKC:

n1 = 0,1 ÷ 0,26; n2 = 0,18 ÷ 0,20; n3 = 0,22 ÷ 0,40

1.2.2.2 Ảnh hưởng của lượng chạy dao và chiều sâu cắt

Các nghiên cứu thực nghiệm cho thấy đối với tất cả các thành phần lựccắt Px, Py và Pz ảnh hưởng của lượng chạy dao và chiều sâu cắt có thể tínhbằng công thức chung sau : x p y p

0

C t S V

P x x

3 , 0 6 , 0 9 ,

0

C t S V

P z z

1.2.2.3 Ảnh hưởng của vật liệu gia công

Vật liệu chi tiết gia công có ảnh hưởng rất nhiều tới lực cắt, vật liệu chitiết gia công khác nhau thì [ ]dh, [ ]b khác nhau do đó lực để ra biến dạngchúng cũng khác nhau Vật liệu chi tiét gia công khác nhau thì hệ số ma sátvới dụng cụ cắt cũng khác nhau, vì vậy lực cắt cũng khác nhau

Đối với thép [ ]b càng lớn lực cắt càng lớn

Đối với gang độ cứng HB càng lớn lực cắt càng lớn

Trong thực nghiệm người ta tìm được thành phần Pzf( b,HB)quacác công thức gần đúng sau : q

(1-8)

Với gang lấy q = 0,55 Nói cách khác, độ cứng và độ bền vật liệu giacông càng cao, lực cắt càng lớn Quan hệ phụ thuộc này có thể được biểu thịbằng công thức tỷ lệ, nếu HB’ tương ứng P’, còn HB” tương ứng P”

Ta có :

q

HB

HB P

"

(1-9)

Như vậy theo công thức trên có thể xác định lực cắt khi gia công thép

có HB” nếu biết lực cắt P’ khi gia công thép có HB’

Nói chung lực cắt khi gia công thép lớn hơn khi gia công gang 1,52 lần

1.2.2.4 Ảnh hưởng của vật liệu làm dao và đặc điểm của vật liệu CBN khi tiện cứng.

Khi gia công cùng một loại vật liệu, vật liệu làm dụng cụ cắt khác nhauthì biến dạng của phoi cũng khác nhau, lực ma sát giữa mặt sau của dụng cụcắt với phôi, mặt trước của dụng cụ cắt cũng khác nhau

Mặt khác trong vùng tiếp xúc giữa dụng cụ cắt với phoi và chi tiết giacông còn xảy ra các mối tương tác hoá lý rất phức tạp Do đó vật liệu làmdụng cụ cắt khác nhau, lực cắt khác nhau

Thực nghiệm cho thấy khi gia công thép bằng dụng cụ cắt vật liệu làHKC lực cắt chỉ bằng 90 ÷ 95 % so với dụng cụ cắt thép gió Khi cắt bằngdụng cụ cắt vật liệu sứ lực cắt chỉ bằng 88 ÷ 90 % khi cắt bằng dao thép gió

Theo Trent [11], CBN là loại vật liệu không tồn tại trong tự nhiên.CBN có các tính chất cơ lý tuyệt diệu đó là: độ bền nóng cao, có khả năngduy trì hình dạng ở nhiệt độ cao, độ cứng ở nhiệt độ trong phòng cao từ (4000

÷ 5000 HV) phụ thuộc vào hướng của bề mặt đo độ cứng và hướng mạng tinhthể Một lượng nhỏ kim loại hoặc ceramics được trộn với Nitritbo tạo nênCBN Độ cứng của CBN giảm khi nhiệt độ tăng nhưng vẫn cao hơn tất cảnhững vật liệu dụng cụ khác làm cho loại vật liệu này có thể cắt vật liệu có độ

cứng cao với vận tốc cắt cao kết hợp với khả năng chống mòn do cào xước vàkhả năng chống tương tác với sắt thép cao Độ dẫn nhiệt của PCBN khoảng

100 W/moC.Mảnh dao CBN có hai loại:

- Các lớp mỏng với chiều dày < 5 mm được gắn lên thân các bít

- Cả khối CBN

Các tính chất và khả năng sử dụng của dụng cụ PCBN chủ yếu phụ thuộcvào độ cứng rất cao của Nitritbo nhưng pha thứ hai đóng vai trò quan trọng.Hàm lượng pha thứ hai càng cao thì tuổi bền của dụng cụ càng cao đặc biệt khigia công tinh với lượng chạy dao và chiều sâu cẳt nhỏ Khi gia công thô tuổi bềncủa dao tăng khi sử dụng mảnh dao với hàm lượng pha thứ hai thấp [11,14]

Có thể chia CBN thành hai nhóm:

- Nhóm có thành phần CBN cao khoảng 90 % (CBN – H) sử dụng chấtdính kết kim loại

- Nhóm có thành phần CBN thấp khoảng 50 ÷ 70 % (CBN – L) sử dụngceramics làm chất kết dính

Hình 1.12: Cấu trúc tế vi của hai loại mảnh dao (BZN6000 – 92%

Hiện tượng này được giải thích theo nhiều cách khác nhau như: CBN – L

có tuổi bền cao hơn là do có sức bền liên kết cao hơn, lớp đọng trên mặt saucủa dao CBN – L có tác dụng bảo vệ mặt sau, CBN – L có hệ số dẫn nhiệtthấp hơn là nguyên nhân tăng nhiệt độ trong vùng tạo phoi làm giảm độ cứngcủa vật liệu gia công quanh vùng cắt làm cho quá trình cắt dễ dàng hơn Hơnnữa cấu trúc và tính chất hoá học của mảnh dao CBN có thể quyết định vấn

đề mòn của dao CBN [13] Dao CBN – L tồn tại pha dính kết ceramics làmtăng tính trơ hoá học của vật liệu dụng cụ dẫn đến tăng khả năng cắt

Nghiên cứu về tính gia công của một số loại thép hợp kim tôi cứng đếntrên 60 HRC cho thấy lực cắt hướng trục Px tăng khi gia công thép có các hạtcác bít thô (thép S6-5-2), và lực cắt Pz tăng với thép có các hạt các bít mịn vàđồng đều (thép 16MnCr5E) Từ đó có thể thấy rằng CBN không thích hợp vềmặt kinh tế khi gia công thép có thành phần ferit cao và độ cứng dưới 50HRC [14]

1.2.2.5 Ảnh hưởng của bán kính đỉnh dao r

Khi tăng bán kính đỉnh dao r làm điều kiện cắt thay đổi, biến dạng củaphoi tăng do đó Pz tăng hình 1.13

Hình 1.13: Ảnh hưởng của bán kính đỉnh dao tới lực cắt

Trong đó: đường 1 có công thức P z C z .r0 , 1

đường 2 có công thức 0 , 25

.r

C

P y  y (1-10) đường 3 có công thức P x C x r 0 , 25

Từ các công thức này ta thấy rằng, bán kính r tăng sẽ làm thành phần

Py, Pz tăng còn Px giảm, trong đó Py tăng mạnh hơn so với Pz Tuy nhiên tronggia công tinh người ta cố gắng chọn dao có r nhỏ để vừa giảm lực cắt đồngthời tăng được chất lượng bề mặt gia công

ra dễ dàng hơn, biến dạng của phoi giảm làm giảm lực cắt

Nếu dụng cụ cắt bị mòn ở mặt sau và mòn ở mũi dao thì lực cắt sẽ tăng Như vậy sự thay đổi của lực cắt phụ thuộc vào trạng thái mòn của dụng cụcắt (mòn mặt trước, mặt sau, mũi dao…)

1.3 Nhiệt cắt

1.3.1 Khái niệm chung

Nhiệt trong quá trình cắt đóng vai trò rất quan trọng, vì nó ảnh hưởngtrực tiếp tới cơ chế tạo phoi, lẹo dao, hiện tượng co rút phoi, lực cắt và cấutrúc tế vi lớp bề mặt Đồng thời nhiệt cắt còn là nguyên nhân chính gây mòndụng cụ cắt, ảnh hưởng lớn đến tuổi bền dụng cụ cắt, đặc biệt trong tiện cứng

vì giá thành các mảnh dao thường khá cao

Phần lớn công tiêu hao trong quá trình cắt gọt chuyển hoá thành nhiệtnăng (97,5%) Số còn lại làm thay đổi thế năng trong mạng tinh thể kim loại.Quy luật phát sinh và truyền nhiệt trong quá trình cắt gọt rất quan trọng đểtìm các biện pháp giảm nhiệt độ sinh ra trong quá trình cắt gọt có ý nghĩa lớn

về lý luận và thực tiễn Nhằm nâng cao tuổi bền của dụng cụ cắt, năng suất vàchất lượng gia công

Nhiệt độ phát sinh khi gia công bằng cắt phụ thuộc chủ yếu vào cáctính chất của phôi và dao, chế độ cắt và các điều kiện khác như môi trườngcắt Các yếu tố như mòn dụng cụ, cơ chế tạo phoi, chất lượng lớp bề mặt đềuchịu ảnh hưởng của nhiệt độ cắt Trong nhiều trường hợp nhiệt độ cắt là yếu

tố hạn chế hiệu quả sử dụng của dụng cụ Khi cắt vật liệu siêu cứng sử dụngdao ceramics như thép hợp kim hoá và tăng bền bề mặt, các hợp kim siêucứng, nhiệt cắt là cần thiết để làm mềm vật liệu gia công cục bộ mà khôngảnh hưởng tới sức bền của dụng cụ Trong các phương pháp thực nghịêm để

đo nhiệt độ cắt như cặp ngẫu nhiệt dao – phôi, phát xạ hồng ngoại, sự thay đổicấu trúc tế vi, cặp ngẫu nhiệt trên dao, phương pháp sử dụng cặp ngẫu nhiệttrên dao được sử dụng rộng rãi để đo nhiệt độ trên dụng cụ siêu cứng [34]

Nhiệt độ trong vùng cắt tăng theo giá trị độ cứng của phôi tới HRC 50,khi độ cứng của phôi vượt quá giá trị này nhiệt độ cắt giảm đi khi tăng độcứng Điều khác với quy luật thay đổi nhiệt độ của lý thuyết cắt kim loạitruyền thống này được giải thích do sự thay đổi về cơ chế tạo phoi khi giacông thép có độ cứng từ 50 HRC trở lên [14, 35]

Nói chung sự tỏa nhiệt khi cắt là do có một công A (kG.m) sinh ratrong quá trình hớt phoi Nó xác định bởi công thức :

A = A1 + A2 + A3 (1-11) Trong đó :

A1: Công sinh ra làm biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo

A2: Công sinh ra để làm thắng lực ma sát ở mặt trước dao

A3: Công sinh ra để thắng lực ma sát ở mặt sau dao

Ngoài ra công A có thế tính bởi công thức khác : A=Pz.L (1.12)

Bảng 1.1 Lịch sử và đặc tính của vật liệu dụng cụ cắt

Năm Vật liệu dụng cụ

Vận tốc cắt (m/ph)

Nhiệt độ giới hạn đặc tính cắt ( o C)

Độ cứng (HRC)

Khả năng cắt của vật liệu Nitrit Bo trong bảng là rất cao và đang đượcứng dụng khá phổ biến trong gia công vật liệu có độ cứng cao cũng như trongtiện cứng

Bảng 1.2 Tính chất cơ - nhiệt một số vật liệu dụng cụ

Vật liệu

Thông số

Cacbit Vonfram

Gốm sứ

Kim cương nhân tạo

Khối lượng riêng (g/cm 3 ) 6,0 – 15,0 3,8 – 7,0 3,4 – 4,3 3,5 - 4,2

Độ cứng (HV 30) 1300- 1700 1400- 2400 3000 - 4500 4000- 7000 Modul đàn hồi (GPa) 430 - 630 300 - 400 580 - 680 680 – 890

Cụ thể Nitrit Bo lập phương đa tinh thể (PCBN) được coi là vật liệu có

độ cứng cao nhất chỉ sau kim cương nhưng lại có độ bền nhiệt cao hơn kimcương (1500oC) 46 Bảng 1.2 và 1.3 thể hiện tính chất cơ - nhiệt của vật liệudụng cụ CBN so với một số loại vật liệu dụng cụ có tính năng cắt cao khác(Cacbit Vonfram, gốm sứ nhân tạo và kim cương nhân tạo)

Các nghiên cứu đã chứng tỏ rằng khoảng 98% – 99% công suất cắt biếnthành nhiệt từ ba nguồn nhiệt: vùng tạo phoi (quanh mặt phẳng trượt AB),mặt trước (AC) và mặt sau (AD) như trên hình 1.14a

Hình 1.14:

(a) Sơ đồ hướng các nguồn nhiệt.

(b) Ba nguồn nhiệt và sơ đồ truyền nhiệt trong cắt kim loại

Các nguồn nhiệt này truyền vào dao, phoi, phôi và môi trường với tỷ lệkhác nhau phụ thuộc vào chế độ cắt và tính chất nhiệt của hệ thống dao, phoi,phôi và môi trường 6, 40 Thực tế vận tốc cắt là nhân tố ảnh hưởng lớnnhất đến tỷ lệ này, khi cắt với vận tốc cắt đủ lớn phần lớn nhiệt cắt truyền vàophoi (hình 1.14 b) 6

Gọi Q là tổng nhiệt lượng sinh ra trong quá trình cắt:

Q = Q mặt phẳng cắt + Q mặt trước + Q mặt sau (1–13)

Theo định luật bảo toàn năng lượng thì lượng nhiệt này sẽ truyền vào

hệ thống phoi, dao, phôi và vào môi trường theo công thức sau:

Q = Qphoi + Q dao + Q phôi + Q môi trường (1- 14)

Với lưu lý rằng tốc độ truyền nhiệt vào môi trường có thể coi nhưkhông đáng kể trong tính toán khi môi trường cắt là không khí

a

b

Hình 1.15 : Tỷ lệ % nhiệt truyền vào phoi, phôi, dao và môi trường phụ thuộc vào vận tốc cắt 6

Từ hình 1.15 ta thấy nhiệt lượng truyền vào phoi lớn nhất và là mộthàm của vận tốc cắt Càng tăng vận tốc cắt nhiệt lượng truyền vào phoi càngnhiều, nhiệt lượng truyền vào phôi và dụng cụ cắt càng ít Nhiệt lượng truyềnvào dao và phôi càng ít càng có lợi cho quá trình cắt gọt

Như vậy trong tiện cứng sử dụng dao PCBN do vận tốc cắt cho phép làrất cao (thường từ 100 220 m/phút) nên nhiệt cắt sinh ra trong quá trình chủ yếu truyền vào phoi khoảng 68 – 85%, nhiệt cắt truyền vào dao là không đáng

kể (khoảng 10%) (hình 1.15) Điều đó đặc biệt có lợi cho quá trình gia công

1.3.2 Trường nhiệt độ

Thông qua trường nhiệt độ trên phôi, dụng cụ cắt, phoi ta biết đượcvùng nào có nhiệt độ lớn nhất, biết được ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trìnhgia công để tìm các biện pháp làm giảm nhiệt độ

- Trường nhiệt độ trên phôi giúp ta biết được ảnh hưởng của nhiệt độtrong quá trình cắt đến chất lượng bề mặt chi tiết gia công

- Trường nhiệt độ trên dụng cụ cắt giúp ta giải thích về quá trình mòndụng cụ cắt

- Trường nhiệt độ trên phoi ít có ý nghĩa

Hình 1.16; 1.17 giúp ta biết được trường nhiệt độ trên dụng cụ cắt –phoi – phôi khi tiện.

Hình 1.16: Trường nhiệt độ khi tiện

Đường nét liền: Đường đẳng nhiệt; đường nét đứt: Dòng nhiệt.Dòngnhiệt vuông góc với đường đẳng nhiệt

- Nhiệt lượng tập trung trên phoi lớn nhất, nhưng do độ dẫn nhiệt củavật liệu làm dụng cụ cắt nên nhiệt độ tập trung trên dụng cụ cắt thường lớnhơn nhiệt độ tập trung trên phoi và phôi

- Thí nghiệm cho thấy nhiệt độ lớn nhất nằm ở khu vực tiếp xúc giữadụng cụ cắt và phoi, cách mũi dao (0,3 ÷ 0,5)l, l là chiều dài tiếp xúc giữaphoi và mặt trước Khu vực này có áp lực giữ phoi và mặt trước lớn nhất gọi

là trung tâm áp lực

Ở mũi dao nhiệt độ tập trung cũng rất lớn Điều này giải thích tại saodụng cụ cắt mòn theo rãnh lõm ở mặt trước, mòn ở mũi dao…

Trường nhiệt độ trên phôi cho thấy, nhiệt độ trên bề mặt có thể tới

6700K, càng xa mũi dao nhiệt độ giảm dần (vì lớp bề mặt chịu ma sát và biếndạng rất lớn, càng xa bề mặt biến dạng càng giảm)

Những nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm trường nhiệt độ cho thấy:

- Trường nhiệt độ khi gia công là không ổn định

- Nhiệt độ tại một điểm xác định  (x,y,z) phụ thuộc vào các yếu tố:+ Vật liệu dụng cụ cắt và chi tiết gia công.

+ Điều kiện cắt

+ Phương pháp gia công

Nghiên cứu quá trình mòn dụng cụ cắt phải xét đến nhiệt độ lớn nhấttrên mặt trước và mặt sau, sự phân bố nhiệt trên các bề mặt này, xác địnhđược nhiệt độ lớn nhất này thường rất khó khăn, nhiệt độ trung bình ở mặtphân cách phoi - dụng cụ cắt, dụng cụ cắt – phôi gọi là nhiệt độ cắt gọt, gọi tắt

là nhiệt cắt

Hình 1.17: Sự phân bố nhiệt độ khi tiện trên mặt phân cách phoi - dụng cụ

1.3.3 Quá trình phát sinh nhiệt

1.3.3.1 Nhiệt trong vùng biến dạng thứ nhất

Theo Trent thì phần lớn công suất sinh ra trong vùng biến dạng thứnhất biến thành nhiệt 11 Tốc độ nhiệt trong vùng biến dạng thứ nhất có thểtính gần đúng trên mặt phẳng cắt theo công thức:

S S

AB A V k

Q

d

dt

W

1 

 (1-15) Trong đó:

kAB là ứng suất cắt trung bình trong miền biến dạng thứ nhất

AS là diện tích của mặt phẳng cắt



 sin

b

t1

S

A

Vs là vận tốc của vật liệu cắt trên mặt phẳng V S V C cos(cos )

Tuy nhiên chỉ một phần nhiệt .Q1 truyền vào phôi, phần còn lại (1-)Q1truyền vào thể tích As.Vn của phoi tạo ra sự tăng nhiệt độ T trongvùng biến dạng thứ nhất,  có thể lớn đến 50% khi tốc độ thoát phoi thể tíchthấp, vật liệu cắt có hệ số dẫn nhiệt cao

Hình 1.18: Đường cong thực nghiệm của Boothroyd

để xác định tỷ lệ nhiệt () truyền vào phôi 11

Khi tốc độ thoát phoi thể tích cao thì  được xác định bằng đồ thị thực

nghiệm của Boothroyd thông qua hệ số nhiệt

1 1

k

t V c

T



 như trên hình1.18 Trong đó k t là hệ số dẫn nhiệt của vật liệu gia công

) 1 ( ) cos(

.

cos ) sin cos

( ) 1 (

F F

V c

V k

n

S AB

(1 -16)

Phần lớn nhiệt sinh ra trong vùng biến dạng thứ nhất truyền vào phôi và

bị mang đi theo phoi mà không truyền vào dụng cụ do nhiệt độ trên mặt trướccao hơn hẳn nhiệt độ trong vùng tạo phoi 11

1.3.3.2 Nhiệt trên mặt trước (Q AC ) và trường nhiệt độ

Qua các công trình nghiên cứu 11, 41, 43, 42 cho thấy rằng nhiệtsinh ra trên mặt trước của dụng cụ do ma sát giữa phoi, mặt trước và biếndạng dẻo của lớp phoi sát mặt trước (vùng biến dạng thứ hai) sinh ra TheoJun và Smith 44 thì nhiệt sinh ra trên mặt trước chỉ vào khoảng 20% tổng sốnhiệt sinh ra trong quá trình cắt, nhưng khoảng 50% lượng nhiệt này truyềnvào dao và có ảnh hưởng quyết định đến tuổi bền của nó

Cho đến nay bản chất tương tác ma sát trên mặt trước và quy luậtchuyển động của lớp phoi dưới cùng còn có nhiều tranh cãi nên chưa có mộtcông thức duy nhất để tính tốc độ sinh nhiệt trên mặt trước 8 Ví dụ, theoTrent thì nhiệt sinh ra do ma sát trượt của phoi với mặt trước là không đáng

kể, mà biến dạng dẻo với mức độ lớn và tốc độ cao của các lớp phoi gần mặttrước là nguồn nhiệt chính sinh ra nhiệt độ cao trong dao 11 Ông đã đưa racông thức để tính nhiệt độ phân bố trên mặt trước theo phương thoát phoi nhưsau:

2 / 1 1

.

2 ) 0 , (

V K

x c

x T

Nhưng Tay, Li và các đồng nghiệp lại cho rằng phần nhiệt sinh ra do

ma sát của phoi trên mặt trước là đáng kể và đưa ra các công thức tính tốc độsinh nhiệt riêng (q2) khác nhau dựa trên các mô hình khác nhau về mô hìnhứng suất và phân bố vận tốc của lớp phoi dưới cùng trên mặt trước 45, 42

1.3.3.3 Nhiệt trên mặt tiếp xúc giữa mặt sau và bề mặt gia công (Q AD ) và trường nhiệt độ

Nhiệt sinh ra trên mặt sau của dụng cụ chỉ có ảnh hưởng đáng kể đếnnhiệt độ phát triển trong dao khi lượng mòn mặt sau đủ lớn Do bề mặt mònmặt sau được coi là phẳng nên ứng suất trên mặt tiếp xúc coi như phân bốđều Haris đã xác định được quan hệ của Fc và Ft trong mặt cắt trực giao

và được đề cập trong công trình của Li như sau:

t

VB K F

F F F

c e

c cf c



t

VB K F

F F F

t t

t tf t



(1-18)

Hình 1.19: Sơ đồ phân bố ứng suất trên mặt sau mòn

Trong đó: Fc và Ft là lực pháp tuyến và lực tiếp tuyến với mặt sau,Fcf và Ftf là lực cắt khi dao mòn, VBave là chiều cao mòn trung bình, t là chiềusâu cắt (hình 1.19)

Hệ ma sát trên mặt sau được xác định bằng công thức:

t c t

c t

F

F K

K

.



 (1-19)Với Kc và Kt là các hệ số thực nghiệm

Tốc độ sinh nhiệt q3 trên mặt sau là:

b t F V

.

1 0671 , 0

3  (1-20)Nhiệt từ ba nguồn trên là nguyên nhân làm tăng nhiệt độ trong dao,giảm độ cứng nóng của vật liệu gia công vì thế xác định trường nhiệt độ trongdụng cụ có ý nghĩa rất quan trọng Có thể xác định trường nhiệt độ này bằngthực nghiệm hoặc lý thuyết 8

1.3.3.4 Ảnh hưởng của vận tốc cắt tới nhiệt cắt và trường nhiệt độ trong dụng cụ

Trong tất cả các yếu tố ảnh hưởng thì vận tốc cắt ảnh hưởng tới nhiệtcắt nhiều nhất

Từ công thức Q  PzV427 Kcl/phút (1- 21)

Hình 1.20 : Ảnh hưởng của vận tốc cắt tới nhiệt độ cắt

1 Thép austenit mangan 2 Thép Cacbon 3 Gang 4 Nhôm

Ta thấy V tăng, Q tăng Mặt khác khi V tăng đến giá trị nào đó thì Vtăng lực Pz giảm Do đó V tăng, Q tăng nhưng không tỷ lệ với V (ở mức độchậm hơn)

Vận tốc cắt càng tăng thì thời gian tỏa nhiệt từ phoi vào chi tiết giacông và dụng cụ cắt càng giảm nhiệt lượng sinh ra trong quá trình cắt phầnlớn là đi theo phoi (phoi là nguồn nhiệt chính) Nguồn nhiệt làm nóng dụng cụcắt bây giờ chủ yếu là công thắng lực ma sát giữa phoi và mặt trước, mặt sau

và phôi, nó tăng lên cùng với việc tăng vận tốc cắt Nhưng vận tốc cắt càngcao thì nhiệt cắt tăng càng chậm (do µ giảm) và tiệm cận với đường nhiệt độ

nóng chảy của vật liệu gia công (hình 1.20) vì công thắng lực ma sát khôngtăng nữa

Thực nghiệm cho thấy quan hệ giữa  và V theo công thức sau :

o = Cl.Vu (1-22)

o : Nhiệt cắt

Cl : Hệ số phụ thuộc vào điều kiện gia công (vật liệu gia công, chiềusâu cắt, dung dịch trơn nguội, thông số hình học dụng cắt… )

u : số mũ biểu thị ảnh hưởng của vận tốc cắt tới nhiệt cắt

u = 0,26  0,72 chủ yếu phụ thuộc vào vật liệu gia công, phương phápgia công ( < u < 1) thể hiện nhiệt cắt tăng chậm hơn V)

1.4 Kết luận

Quá trình cắt trong tiện cứng là tổng hợp của nhiều yếu tố công nghệ.Chủ yếu do nhiệt cắt, lực cắt dẫn tới mòn dụng cụ nhanh chóng, ảnh hưởngtới năng suất, chất lượng và giá thành sản phẩm

Để có thể đáp ứng được yêu cầu trên, lần lượt các vật liệu dụng cụ mới

ra đời như các dao thép gió, các mảnh HKC, kim cương nhân tạo, đặc biệt làmảnh Nitrit Bo Đặc trưng là các mảnh CBN, chúng làm cho quá trình vật lýdiễn ra trong quá trình cắt thép có độ cứng cao trở lên đơn giản hơn, thậm chíhầu hết không cần tới dung dịch trơn nguội

Vậy bản chất vật lý của tiện cứng không khác nhiều tiện thông thường.Tuy nhiên người ta cố gắng chế tạo vật liệu dao, kết cấu mảnh, thông số hìnhhọc, … phù hợp nhất để giải phóng càng nhiều nhiệt cắt khỏi vùng cắt càng

có lợi cho tiện cứng

1.5 Mòn dụng cụ cắt

1.5.1 Dạng mòn

Mòn là hiện tượng phá huỷ bề mặt và sự tách vật liệu từ một hoặc cảhai bề mặt trong chuyển động trượt, lăn hoặc va chạm tương đối với nhau

Eyre và Davis định nghĩa mòn liên quan đến sự hao hụt về khối lượng hoặcthể tích, dẫn đến sự thay đổi vượt quá giới hạn cho phép về hình dạng hoặctopography của bề mặt Nói chung mòn xảy ra do sự tương tác của các nhấpnhô bề mặt Trong quá trình chuyển động tương đối đầu tiên vật liệu trên bềmặt tiếp xúc có thể bị biến dạng do ứng suất ở đỉnh các nhấp nhô vượt quágiới hạn dẻo, nhưng chỉ một phần rất nhỏ hoặc không một chút vật liệu nàotách ra, sau đó vật liệu bị tách ra từ bề mặt dính sang bề mặt đối tiếp hoặc tách

ra thành những hạt mài rời Trong trường hợp vật liệu chỉ dính từ bề mặt nàysang bề mặt khác, thể tích hay khối lượng mòn ở vùng tiếp xúc chung bằngkhông mặc dù một bề mặt vẫn bị mòn Định nghĩa mòn nói chung dựa trên sựmất mát của vật liệu, nhưng sự phá huỷ của vật liệu do biến dạng mà khôngkèm theo sự thay đổi về khối lượng hoặc thể tích của vật liệu cũng là mộtdạng mòn

Giống như ma sát, mòn không phải là do tính chất của vật liệu mà là sựphản ứng của một hệ thống, các điều kiện vận hành sẽ ảnh hưởng trực tiếpđến mòn ở bề mặt tiếp xúc chung sai lầm đôi khi cho rằng ma sát lớn trên bềmặt tiếp xúc chung là nguyên nhân mòn với tốc độ cao

Mòn bao gồm các hiện tượng chính tương đối khác nhau và có chungmột kết quả là sự tách vật liệu từ các bề mặt trượt đó là: dính - mỏi bề mặt –

va chạm – hoá ăn mòn và điện Theo thống kê khoảng 2/ 3 mòn xảy ra trongcông nghiệp là do các cơ chế dính, trừ mòn do mỏi, mòn do các cơ chế khác

là một hiện tượng xảy ra từ từ

Trong thực tế, mòn xảy ra do một hoặc nhiều cơ chế Trong nhiềutrường hợp mòn sinh ra do một cơ chế nhưng có thể phát triển do sự kết hợpvới các cơ chế khác làm phức tạp hoá sự phân tích hỏng do mòn Phân tích bềmặt các chi tiết bị hỏng do mòn chỉ xác định được các cơ chế mòn ở giai đoạncuối

Trong hầu hết các quá trình cắt kim loại, khả năng cắt của dụng cụ sẽgiảm dần đến một lúc nào đó dụng cụ sẽ không tiếp tục cắt được do mòn hoặchỏng hoàn toàn.

Mòn dụng cụ là chỉ tiêu đánh giá khả năng làm việc của dụng cụ bởi vì

nó hạn chế tuổi bền của dụng cụ Mòn dụng cụ ảnh hưởng trực tiếp đến độchính xác gia công, chất lượng bề mặt và toàn bộ khía cạnh kinh tế của quátrình gia công Sự phát triển và tìm kiếm những vật liệu dụng cụ mới cũngnhư các biện pháp công nghệ mới để tăng bền bề mặt chính là nhằm mục đíchlàm tăng khả năng chống mòn của dụng cụ [8]

Trong quá trình cắt, phoi trượt trên mặt trước và chi tiết chuyển độngtiếp xúc với mặt sau của dao gây nên hiện tượng mòn ở phần cắt dụng cụ.Mòn dụng cụ là một quá trình phức tạp xảy ra theo hiện tượng lý hoá ở các bềmặt tiếp xúc phoi và chi tiết với dụng cụ gia công Trong quá trình cắt, áp lựctrên các bề mặt tiếp xúc lớn hơn rất nhiều so với áp lực làm việc của chi tiếtmáy ( khoảng 15  20 lần) và dụng cụ bị mòn theo nhiều dạng khác nhauhình 1.21 [6]

Hình 1.21: Các dạng mòn phần cắt của dụng cụ khi tiện

Phần cắt dụng cụ trong quá trình gia công thường bị mòn theo các dạng sau:

- Mòn theo mặt sau hình 1.21a

- Mòn theo mặt trước hình 1.21b

- Mòn đồng thời cả mặt trước và mặt sau hình 1.21c

- Mòn tù lưỡi cắt hình 1.21d

Hình 1.22: Quan hệ giữa một số dạng mòn của dụng cụ

Hình ảnh cấu trúc của hai loại thép này được chỉ ra trên hình 1.12 vớichất dính kết là Co đối với CBN – H và Co, TiN với CBN – L

Mặc dù CBN – H có độ cứng cao hơn và độ dai va đập cao hơn nhưngtuổi bền của CBN – L lại cao hơn và tạo nên độ bóng bề mặt tốt hơn [13]

Hợp kim cứng với tích Vc t10,6

Trong đó: V tính bằng m/ p và t1 tính bằng mm/ v [20]

Mòn mặt trước và sau là hai dạng mòn thường gặp nhất trong cắt kimloại Các thông số hình học đặc trưng cho hai vùng mòn này được chỉ ra trênhình 1.23

(a) Mßn trßn mòi dao V

c.t1

0,6 < 11

(b) Mßn mÆt tr íc t¹i l ìi c¾t 11 < Vc.t10,6 < 17

(c) Mßn mÆt sau 17 < V

c.t1 0,6 < 30

(d) Mßn mÆt tr íc V

c.t1 0,6 > 30

(e) BiÕn d¹ng dÎo l ìi c¾t Vc.t10,6 >> 30